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FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II
MATERIALES CERAMICOS 1
MATERIALES INDUSTRIALES II
Capitulo 3
MATERIALES CERAMICOS
PRIMERA PARTE
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II MATERIALES CERAMICOS 2
Compuestos inorgánicos formados por uniones iónicas o covalentes entre
metales y no metales
MATERIALES CERÁMICOS - CLASIFICACIÓN
CLASIFICACIÓN
VIDRIOS CEMENTOS
CERÁMICOS AVANZADOS ABRASIVOS
PRODUCTOS DE ARCILLA
REFRACTARIOS
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II
MATERIALES CERAMICOS 3
PROPIEDADES – COMPARACIÓN CON METALES
• Dureza => Alta
• Ductilidad => Baja, son frágiles
• Tenacidad => Baja
• Resist. ataque químico => Alta
• Resist. choque térmico => Baja
• Temperatura de fusión => Alta
• Aislación térmica/eléctrica => Buena
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II
MATERIALES CERAMICOS 4
PROPIEDADES: PUNTO DE FUSIÓN
Compuesto cerámico Formula Temp. de fusión (°C)
Carburo de Titanio TiC 3.120
Carburo de Wolframio WC 2.850
Oxido de Magnesio (Periclase ) MgO 2.800
Dióxido de Zirconio (Circona) ZrO2 2.756
Carburo de Silicio SiC 2.500
Oxido de Aluminio (Corindón) Al2O3 2.050
Dióxido de Silicio (Cuarzo) SiO2 1.715
Nitruro de Silicio Si2N4 1.700
Dióxido de Titanio TiO2 1.605
Punto de fusión del Acero ≈ 1400°C
Los cerámicos se usan para aplicaciones con exigencia térmica importante
donde el acero no es aplicable. Ej: LADRILLOS REFRACTARIOS
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PROPIEDADES: DUREZA
Los cerámicos duros pueden utilizarse para cortar, afilar
y/o pulir mariales menos duros => ABRASIVOS
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II MATERIALES CERAMICOS 6
ABRASIVOS - ESMERILADO
Ventajas:
• Alta velocidad de corte
• Autoafilado
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II
MATERIALES CERAMICOS 7
ABRASIVOS – RUEDA DE ESMERIL
• GRANOS ABRASIVOS => alta dureza , resistencia al desgaste y fragilidad
-Óxido de Aluminio (Al2O3): acero y aleaciones de alta resistencia
-Carburo de Silicio (SiC): aluminio, latón, acero inoxidable, fundiciones de hierro
-Nitruro de Boro Cúbico (CBN): acero para herramientas y aleaciones aeroespaciales
-Diamante: abrasivos duros como carburos cementados y vidrios.
• AGLUTINANTES => resistencia a la temperatura y al impacto
-Vitrificados: uso común
-Hule: ruedas de corte
-Resinas: esmeril de desbaste
-Metálicos: para CBN y diamante
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ABRASIVOS – NOMENCLATURA (ANSI)
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II MATERIALES CERAMICOS 9
Tamaño Medida en
0,001 mm Aplicación
8 / 10 / 12 /14
Muy grueso 2400 a 1400 Desbastes gruesos
16 /20 /24 /30
Grueso 1200 a 600 rebabado
36/46/54/60
Mediano 500 a 250
Amolado superficial
y rectificado
80/100/120/150
Fino 175 a 105 Pulido , rectificado
180 a 280
Muy fino 80 a 35
Amolado fino ,
pulido ,
rectificado
precisión
320 a 600
Extra fino 30 a 9 Bruñido y lapidado
ABRASIVOS – CARACTERÍSTICAS DE LA RUEDA
• TAMAÑO DE GRANO: se define
por el tamaño medio de las
partículas. Determina el acabado
superficial.
• GRADO: resistencia del
aglutinante para retener granos
de abrasivo. Depende de la
cantidad de aglutinante presente.
• ESTRUCTURA: relación entre la
cantidad de poros y la cantidad
de granos de abrasivo.
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II MATERIALES CERAMICOS 10
ABRASIVOS – CONFIGURACIONES
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II MATERIALES CERAMICOS 11
PROPIEDADES TÉRMICAS: DILATACIÓN LINEAL
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PROPIEDADES TÉRMICAS: DILATACIÓN LINEAL
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II MATERIALES CERAMICOS 13
Conductividad térmica depende de la microestructura y mide la tasa a la cual el
Calor es transmitido través de un material
q : flujo de calor por unidad de área y de tiempo
k: conductividad térmica
El mecanismo de conducción de calor en sólidos se debe a vibraciones atómicas
(fonones) más el movimiento de electrones libres .
Fonones y electrones viajan desde la zona de mayor a la de menor temperatura
En los METALES hay muchos electrones libres y son muy buenos conductores
En los CERAMICOS no hay electrones libres y los fonones no son efectivos por
dispersión en la red
PROPIEDADES TÉRMICAS: CONDUCTIVIDAD
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II MATERIALES CERAMICOS 14
La dispersión de las
vibraciones en la red se
hace mas pronunciada al
aumentar la temperatura,
disminuyéndose la
conductividad
La conductividad aumenta a
temperaturas mas altas
debido a que el calor se
transfiere por radiación
PROPIEDADES TÉRMICAS: CONDUCTIVIDAD
EN CERAMICOS
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II MATERIALES CERAMICOS 15
PROPIEDADES TÉRMICAS: CONDUCTIVIDAD
CERAMICOS vs. METALES
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II MATERIALES CERAMICOS 16
Los esfuerzos térmicos se deben a cambios de temperatura en un cuerpo
En una barra con sus extremos fijos los esfuerzos resultantes de
la dilatación y contracción térmicas restringidas:
σ = E.αl( T0 – Tf )= E.αl ΔT E: Modulo de elasticidad.
α: Coeficiente deformación lineal.
En materiales dúctiles (metálicos) puede haber deformación plástica
En materiales frágiles se puede producir la fractura
Podemos definir aproximadamente:
Resistencia al Choque Térmico a TSR = σf.k
E.α La resistencia al choque térmico se puede aumentar disminuyendo α
Por ej. Vidrio soda – cal mediante el agregado de B ( borosilicato )
ESFUERZOS TÉRMICOS
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II MATERIALES CERAMICOS 17
Cuando los cambios dimensionales producidos por la temperatura no son
uniformes se producen tensiones térmicas dentro del material producen fisuras
y descascaramiento conocido como “spalling”
Los cambios dimensionales no uniformes se pueden originar por:
Cambios de fase
Coef. de expansión térmica diferentes
Anisotropía de los coeficientes de expansión térmica
Altos gradientes de temperatura dentro de una pieza
SRI = k x σ
α.E.C.ρ
k: coef. de conductividad térmica
σ: resistencia tracción
α : coef. De dilatación lineal
C: Calor especifico
ρ : densidad
ESFUERZOS TÉRMICOS
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II
MATERIALES CERAMICOS 18
Una barra de latón debe usarse en una aplicación que requiere que sus
extremos se mantengan fijos. Si la barra esta libre de tensiones a Temp.
ambiente 20°C ¿Cuál es la máxima Temp. a la cual la barra puede ser ca-
lentada sin exceder una tensión de compresión de 172 MPa
Suponga modulo de elasticidad 105 MPa para el latón
ESFUERZOS TÉRMICOS - EJERCICIO
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II MATERIALES CERAMICOS 19
La deformación de los cerámicos a altas temperaturas se puede
Incrementar debido al movimiento de los átomos
Se consideraran tres efectos:
1. Comportamiento anelástico :
Alta disminución del modulo de elasticidad E debido al aumento de
la temperatura.
2. Creep :
Deformación a alta temperatura con carga constante
3. Fluencia viscosa
Se verifica en los materiales amorfos caso típico del vidrio
DEFORMACIÓN A ALTA TEMPERATURA
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II MATERIALES CERAMICOS 20
Por Griffith recordamos que la fractura puede ser una consecuencia de
la concentración de tensiones en el extremo de una fisura.
Las macroestructuras cerámicas poseen puntos de concentración de
tensiones tales como poros, bordes de grano, o micro fallas
La resistencia a la tracción en un material frágil esta determinada por la
probabilidad de que se encuentre un defecto que produzca una
concentración de tensiones superior a la tensión normal critica de
fractura.
Hay mas concentraciones fuertes en los sólidos con cristales grandes
que en los compuestos por finos ( hilos , fibras )
CONCENTRACIÓN DE TENSIONES – RESISTENCIA
ESTADÍSTICA
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MATERIALES CERAMICOS 21
Los cerámicos son muy frágiles y susceptibles de fractura catastrófica
Muy baja “Tenacidad a la fractura”
1. Diferentes mecanismos para otorgar tenacidad
2. Resultados alcanzados en el aumento de la tenacidad
3. Aplicaciones practicas
TENACIDAD
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II
MATERIALES CERAMICOS 22
En un cerámico existen granos, poros , inclusiones , rajaduras y grietas superficiales
Si la muestra se carga con tensión uniforme la fractura se iniciará
en el defecto mas grande
Asumimos que comenzando por una carga nula , la incrementamos hasta alcanzar la
tensión critica para el defecto mayor
Por debajo de la tensión critica estamos almacenando energía elástica dentro del material
y al llegar a la tensión critica la falla se iniciara en el defecto critico
La energía almacenada esta disponible para concentrarse en la punta de esta nueva grieta
y hacerla avanzar a través del cerámico. Un cerámico típico no posee ningún
mecanismo para prevenir esto y se produce una fractura catastrófica frágil
PROPAGACIÓN DE FRACTURA EN CERÁMICOS
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MATERIALES CERAMICOS 23
A- Transferencia del módulo de elasticidad
B- Pretensado
C-Desviación o impedimento del avance de la falla
D- Puenteado de grieta o “ bridging”
E- Pullout
F- Protección de la grieta o “Crack Shielding”
MECANISMOS PARA OTORGAR TENACIDAD
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MATERIALES CERAMICOS 24
Fibras de alto modulo dentro de una matriz de bajo modulo, con lo que el
esfuerzo aplicado al material es transferido desde la matriz a las fibras
Factores que controlan el grado de tenacidad conseguido por
transferencia del módulo:
Diferencia entre E fibras vs. Ematriz . Se prefieren usar fibras que tengan
por lo menos el doble del modulo de elasticidad de la matriz
Resistencia de las fibras. Esta determinada por la resistencia cohesiva
de la unión atómica y el tamaño de los defectos micro estructurales
% Volumen de las fibras vs. % Volumen de la matriz
Largo de las fibras . Algunos estudios indican que la relación
largo/diámetro debe ser superior a 8:1
Unión interfacial fibra-matriz La transferencia del modulo requiere una
Nivel razonable de adhesión entre fibras y matriz
A) TRANSFERENCIA DEL MÓDULO DE ELASTICIDAD
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MATERIALES CERAMICOS 25
Dejar una tensión residual de compresión. Con esto se logra que la fractura
solo pueda iniciarse cuando la tensión iguale a la de PRE-compresión
Por fibras – 1°. se tensionan las fibras a tracción 2° se rodean las fibras con la matriz
y 3° se retira la tensión de las fibras
Por tensión térmica . Por ej. Temple del vidrio
Intercambio iónico. Por ej. Temple químico del vidrio. El material se expone a temp.
junto con iones más grandes que algunos reemplazan a los mas pequeños Cuando se
enfría los grandes comprimen la superficie del mismo
Superposición de capas de distintos coeficientes expansión térmica. Se trata del
apilamiento de laminas de distinto coeficiente y quedan con un alto esfuerzo residual
B) PRETENSADO
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MATERIALES CERAMICOS 26
Estructuras cristalinas en vez de amorfas
Control de fases en límites de granos
Estructuras de granos fibrosos o elongados
Dispersión de partículas extrañas y fibras , adición de una segunda fase
Δ Tenacidad = f ( % en V partículas , Forma de partículas )
Esféricas : Doble -------- Disco : Triple ------ Varillas : cuádruple
Cuanto mayor es el recorrido mayor es la Energía de Fractura requerida
C) DESVIACIÓN O IMPEDIMENTO DEL AVANCE DE LA
FALLA
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MATERIALES CERAMICOS 27
Puenteado de grieta o “bridging”
Puentes de fibras transversales al avance de la grieta detienen o frenan su
propagación
El puenteado puede ocurrir si se encuentra una fase dúctil que se deforma
más que la fase adyacente.
Pullout
Una partícula , fibra o grano se despega
de la microestructura adyacente y la fisura “tira”
de ella para despegarla , con lo cual consume energía .
Generalmente acompaña al bridging
D/E) PUENTE DE GRIETA (BRIDGING) - PULLOUT
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MATERIALES CERAMICOS 28
Pull-out
Matrix crack
Fibras de
refuerzo
Fiber gridging
Debonding
D/E) PUENTE DE GRIETA (BRIDGING) - PULLOUT
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MATERIALES CERAMICOS 29
Micro fracturas , que reduce el modulo elástico y reparte
el esfuerzo aplicada en varias grietas
Una fase dúctil que permite deformación elástica
en la punta de la grieta
El ZrO2 se transforma desde una fase Tetragonal a un cristal monoclínico
a los 1150°C. Si desde esta temp. se enfría bruscamente se puede
obtener a temp. ambiente la fase tetragonal precipitada dentro de una
matriz cúbica de ZrO2
Cuando una grieta trata de propagarse en este material los pequeños granos
de la fase tetragonal se expanden a monoclínico cerrando la grieta
por aumento de volumen
F) PROTECCIÓN DE GRIETA (CRACK SHIELDING)
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MATERIALES CERAMICOS 30
MATERIALES INDUSTRIALES II
Capitulo 3
MATERIALES CERAMICOS
SEGUNDA PARTE
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II
MATERIALES CERAMICOS 31
MATERIALES INDUSTRIALES II
Capitulo 3
MATERIALES CERAMICOS
SEGUNDA PARTE
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II
MATERIALES CERAMICOS 32
Los cerámicos tenaces combinan las características y ventajas de la cerámica
tradicional con la capacidad de soportar una tensión importante
CERÁMICOS TENACES
Los cerámicos tenaces combinan resistencia mecánica con:
Resistencia a altas temperaturas
Alta dureza y resistencia al desgaste
Resistencia a la corrosión
Resistencia al choque térmico
Resistencia a la abrasión
Las composiciones, el procesado, y microestructura se deben controlar cuidadosamente
para proporcionar los niveles requeridos del funcionamiento
=> la cerámica estructural avanzada es más costosa que cerámica tradicional
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MATERIALES CERAMICOS 33
CERÁMICOS TENACES
La cerámica avanzada se desarrolla hoy en base a:
1.Carburo de Si ( Si C )
2.Nitruro de Si ( Si 2 N4 )
3.Zirconia ( Zr O2 )
4.Carburo de Wolframio ( WC )
5.Otros como: TiB2 (diborato de Ti) , AlN ( nitruro de Al )
y SiAlON ( oxinitrato de aluminio de silicio)
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MATERIALES CERAMICOS 34
CERÁMICOS TENACES Los compuestos de matriz cerámica también están aumentando sus aplicaciones como
cerámica estructural avanzada
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MATERIALES CERAMICOS 35
La Zirconia posee la mayor
resistencia a bajas temp.
El Nitruro de Si mantiene
sus características hasta 1200°
El Carburo de Si es algo menos
resistente que el Nitruro pero
mantiene sus propiedades a
temp. más altas (1500°C)
CERÁMICOS TENACES
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MATERIALES CERAMICOS 36
CONFORMACIÓN DE POLVOS 1) PROCESADO DE POLVOS: se aditivan los polvos cerámicos (materias primas) con
fluidificantes, plastificantes y/o ligantes y luego se muele la mezcla
2) CONFORMADO: se puede hacer por prensado (uniaxial o isostático), slip casting o
procesos plásticos (extrusión o inyección).
3) COCIDO: se somete la pieza “verde” a calentamiento para eliminar aditivos.
4) DENSIFICACIÓN: se logra un material mas denso (menos porosidad) mediante la
aplicación de presión y calor
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MATERIALES CERAMICOS 37
PROCESOS DE CONFORMACIÓN -
PRENSADO ISOSTÁTICO
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MATERIALES CERAMICOS 38
Formas cristalinas polimórficas
• α-SiC hexagonal y
romboédrica
La forma α-SiC es mas estable
a 2000°C
• β-SiC cúbica
La forma β-SiC es la forma más
común para bajas temperaturas
CARBURO DE SILICIO
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MATERIALES CERAMICOS 39
CARBURO DE SILICIO
PROPIEDADES:
• Baja expansión térmica
• Alta dureza
• Buena resistencia a la abrasión a baja tempratura
• Resistencia a la oxidación a temperaturas moderadas
• Más alta conductividad térmica que otros cerámicos
• Menor resistencia a la fractura
• Mantenimiento de Resistencia Elástica a alta Temperatura (hasta 1650°C)
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MATERIALES CERAMICOS 40
Modo de densificación del material
Propiedad Enlazado por
reacción
Alfa
sinterizado
Beta
sinterizado
por presión
en caliente
(Al2O3)
Sinterizado
(Y2O3)
Densidad, kg/m3 3.1 3.1 3.0 3.3 3.2
Dureza, kg/mm2 1620 2800 2400
Resistencia a la torsión,
MPa a 25ºC
245 460 490 702 917
Módulo de Young, GPa 383 410 372 446
Índice de Poisson, GPa 0.24 0.14 0.16 0.17
Coeficiente de
expansión térmica, x10-
6/ºC
4.8 4.02 4.4 4.6
Coeficiente de
conductividad
térmica,W/(mK) a 25ºC
135 126 71 80
CARBURO DE SILICIO -
CARACTERISTICAS
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MATERIALES CERAMICOS 41
CARBURO DE SILICIO PRODUCCIÓN DEL POLVO:
a) Por proceso Acheson => reducción de la
arena de sílice en base de coque eléctricamente
calentado
• Alta temperatura (2400°C)
• Se obtiene α – SiC
• Se debe limpiar químicamente de impurezas
b) Reacción en fase gaseosa => entre hidruro de
silicio y metano
• Mas baja temperatura (1500-1600°C)
• Se obtiene β – SiC
• Se obtiene con la pureza deseada
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MATERIALES CERAMICOS 42
CARBURO DE SILICIO – ENLAZADO
POR REACCIÓN
CONFORMADO DE LA PIEZA:
• Se conforma una preforma con el polvo de SiC mediante los procesos antes
descriptos
• Se infiltra la preforma con Silicio en contacto directo a T°=1500°C o usando
vapor de Silicio. El Silicio reacciona con la preforma creando puentes entre
cristales de SiC
DENSIFICACIÓN:
• El exceso de Silicio restante llena el espacio de porosidad residual
CARACTERÍSTICAS DEL PRODUCTO:
• Completamente denso
• Integridad estructural hasta 1370°C
• Preforma con cambio dimensional <1% =>tolerancias ajustadas
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MATERIALES CERAMICOS 43
Fabricación :
Sinterizado enlazado por
reacción , fase líquida
Sinterizado estado sólido
Observación: el enlazado
por reacción se utiliza por
su facilidad, no por dar un
producto con
características mecánicas
superiores
CARBURO DE SILICIO- TENSIÓN vs. T°
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II
MATERIALES CERAMICOS 44
Comportamiento a la rotura en aire a
1200°C , para
diferentes métodos
de fabricación
CARBURO DE SILICIO - FATIGA
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MATERIALES CERAMICOS 45
CARBURO DE SILICIO
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II
MATERIALES CERAMICOS 46
CARBURO DE SILICIO
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II
MATERIALES CERAMICOS 47
CARBURO DE SILICIO
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II
MATERIALES CERAMICOS 48
Se presenta en dos formas cristalinas hexagonales la fase β (para alta temp. ) y α
NITRURO DE SILICIO
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II
MATERIALES CERAMICOS 49
NITRURO DE SILICIO
PROPIEDADES:
• Alta resistencia mecánica a temperatura ambiente y elevada
• Resistencia al desgaste y oxidación a temperaturas elevadas
• Excelente resistencia a la abrasión
• Alta resistencia al choque térmico
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MATERIALES CERAMICOS 50
Modo de densificación del material
Propiedad Enlazado
por reacción
Sinterizado Prensado
en caliente
prensado
isostático
Densidad, kg/m3 2.5 3.26 3.23 3.2
Modulo de elasticidad,
GPa
180 300 310 310
Dureza, kg/mm2 1350 1370 1620 1800
Resistencia a la
torsión, MPa a
temperatura ambiente
340 700 900 700
1000ºC 600 610
1200ºC 480 570
1370ºC 210 580 310
Resistencia a la
fractura MPa√m
3-4 4.6 4.7-5.5 4.9
Coeficiente de
expansión térmica, x10-
6/ºC
3 3.9 3.9 3.5
Coeficiente de
conductividad
térmica,W/(mK) a 25ºC
12 32 38 32
NITRURO DE SILICIO
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MATERIALES CERAMICOS 51
PRODUCCIÓN DEL POLVO:
a) Nitración de Silicio => el silicio se calienta en atmósfera de nitrógeno
con hierro como catalizador
• Alta temperatura (1100-1450 °C)
• La pureza depende de la pureza de la materia prima y de la cantidad
de catalizador utilizada
b) Reacción de tetracloruro de Silicio con NH3 líquido
• Baja temperatura (1500-1600°C)
• Elevada pureza
NITRURO DE SILICIO
OBSERVACIÓN: las impurezas metálicas y álcalis son negativas por su
bajo punto de fusión . Los polvos puros posen impurezas < 100 ppm
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MATERIALES CERAMICOS 52
PRODUCCIÓN DE POLVOS:
• El Si3N4 es un compuesto covalente con bajo coeficiente de difusión => deben
utilizarse aditivos para la sinterizarían para alcanzar la densificación completa
Se usan óxido como Al 2 O3 , Y 2 O3 , Zr 2 O2 , Mg O
DESVENTAJA: LIMITAN LA RESISTENCIA A ALTA TEMPERATURA => SE AJUSTA LA
PROPORCIÓN
• Los cristales de α Si 3 N4 son aprox el 90% del material en polvo , se
disuelven en la fase líquida formada por la reacción de los aditivos y re
precipitan como β Si 3 N4. Luego se muelen los polvos con elementos
moledores de Si3N4 o diamante => encarece el proceso • El aditivo dependerá de la aplicación del cerámico :
Hasta 1000°C se usan magnesia o magnesia / alúmina
Hasta 1200°C oxido de itrio-alúmina
Hasta 1400°C oxido de itrio solamente
NITRURO DE SILICIO
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MATERIALES CERAMICOS 53
NITRURO DE SILICIO CONFORMADO DE LA PIEZA:
FORMAS SIMPLES:
• Opción 1: prensado isostático en seco o en frío + densificación.
La densificación se realiza por sinterización (1700-2000°C) (y sobrepresión
de atmosfera de nitrógeno) o prensado isostático en caliente (HIP)
• Opción 2: prensado en caliente. Conformado y densificación en un solo
paso.
FORMAS COMPLEJAS (desventaja: importantes tiempos de fabricación)
• Opción 1: inyección
• Opción 2: slip casting
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II
MATERIALES CERAMICOS 54
NITRURO DE SILICIO
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MATERIALES CERAMICOS 55
NITRURO DE SILICIO
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MATERIALES CERAMICOS 56
NITRURO DE SILICIO
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MATERIALES CERAMICOS 57
NITRURO DE SILICIO
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MATERIALES CERAMICOS 58
Se presenta en tres formas cristalinas monoclínica ,estable hasta 1170ºC y se
transforma en tetragonal hasta los 2370ºC y luego en cúbica a partir de los 2680ºC
En el enfriamiento de tetragonal a monoclínica el volumen aumenta entre 3 y 5%.
ZIRCONIA
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MATERIALES CERAMICOS 59
ZIRCONIA
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II
MATERIALES CERAMICOS 60
ZIRCONIA
PROPIEDADES:
• Excelente dureza y resistencia a baja y media temperatura (la mas alta en
cerámicos avanzados)
• Limitada a temperaturas de hasta 800-1000°C pues disminuye el efecto de
endurecimiento y aumenta la abrasión
• Alta resistencia a la fractura
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MATERIALES CERAMICOS 61
Propiedad PSZ TZP ZTA
Densidad, kg/m3 5.7 6.0 4.2
Dureza, kg/mm2 1000 1300 1600
Resistencia a la torsión, MPa a
temperatura ambiente
300-700 1000-2500 400-900
Resistencia a la fractura MPa√m 4-8 5-15 5-10
Modulo de elasticidad, GPa 200 200 340
Coeficiente de expansión térmica,
x10-6/ºC
9-10 10-11 8-9
Coeficiente de conductividad
térmica,W/(mK) a 25ºC
2.0-2.5 2.7 7-10
Temperatura máxima de servicio,
ºC
950 500 1700
ZIRCONIA
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MATERIALES CERAMICOS 62
FABRICACIÓN DE POLVOS:
Fabricación a partir de polvos con aditivos para la sinterización tales como
Y 2 O3 , Ca O , Mg O para las PSZ. Se deben distribuir homogéneamente.
Para las TZP ( tetragonal policristalina) se aditivan con Itrio o Cerio. La TZP
posee excepcionales valores de resistencia a la fractura y alta dureza
ZIRCONIA
CONFORMACIÓN DE PIEZAS:
• Prensado en seco
• Slip casting
• Moldeado por inyección
DENSIFICACIÓN:
• Sinterización
• Prensado en caliente
• HIP
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MATERIALES CERAMICOS 63
ZIRCONIA PARCIALMENTE ESTABILIZADA PRECIPITACIÓN Y ENVEJECIDO DE LA ZIRCONIA
El cambio de tetragonal a monoclínica ocurre con aumento de volumen (3-5%)
Se puede endurecer por transformación . Las partículas se expanden contra la matriz
por lo cual incrementa la tensión de compresión en la superficie de la grieta. Mediante
estos aditivos mantienen la forma cúbica y la tetragonal a temp. ambiente
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II
MATERIALES CERAMICOS 64
ZIRCONIA PARCIALMENTE ESTABILIZADA Primero se realiza la sinterización en la zona del diagrama donde se obtiene
zirconia cúbica y luego un tratamiento térmico de envejecido en la región bifásica
para nuclear precipitados tetragonales en la fase cúbica
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MATERIALES CERAMICOS 65
En la región de una grieta al propagarse la tensión las partículas
tetragonales se transforman en monoclínica estable, el aumento de
volumen comprime la región y retarda la propagación de la grieta
ZIRCONIA PARCIALMENTE ESTABILIZADA
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II
MATERIALES CERAMICOS 66
ZIRCONIA
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II
MATERIALES CERAMICOS 67
ZIRCONIA
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II
MATERIALES CERAMICOS 68
CARBURO DE WOLFRAMIO
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II
MATERIALES CERAMICOS 69
CARBURO DE WOLFRAMIO
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II
MATERIALES CERAMICOS 70
CARBURO DE WOLFRAMIO
FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II
MATERIALES CERAMICOS 71
CARBURO DE WOLFRAMIO